摘要：通过文献综述的方法，从脑源性神经营养因子（BDNF）的分布与生化特性、BDNF与海马的长时程增强、BDNF与学习记忆的分子生物学研究等方面，对BDNF在学习记忆中的作用做了较全面的综述，分别讨论了运动对学习记忆的影响及其可能机制。随后，进一步深入分析了BDNF在运动与学习记忆中可能作用及其机制，为今后进行更加深入的研究奠定良好的基础。 
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　　关键词：脑源性神经营养因子；运动；学习记忆；慢跑；游泳训练；跑轮运动 
　　中图分类号：G804.7文献标识码：B文章编号：1007-3612(2007)08-1083-03 
　　 
　　近来有关体育运动能提高学习记忆能力的报道日渐增多。日本学者的一项研究中发现，12周的慢跑训练可以提高人神经系统的灵敏性、提高记忆能力、预防老年痴呆症；且坚持运动者其记忆力亦显著提高，而当测试者停止慢跑后其记忆力又会下降，认为这可能与运动使海马、大脑皮层中脑源性神经营养因子（BDNF）、神经生长因子（NGF）等的表达增强有关［1］。而此前对老年抑郁患者的一项研究中同样发现，4个月的有氧锻炼可以使老年抑郁患者包括记忆能力在内的认知功能都得到显著改善［2］。 
　　但BDNF作为一种有促进和维持神经元生长、存活和执行功能作用的活性蛋白因子［2，3］，在运动影响学习记忆中起着怎样的重要作用？本文就BDNF在运动与学习记忆中所起作用及其可能的机制进行了较全面与深入的归纳与分析。 
　　 
　　1BDNF概述 
　　 
　　1.1BDNF的分布与生化特性BDNF主要由脑组织合成，分布在中枢神经系统，其中以大脑皮质、海马等部位含量较丰富，在脑组织中BDNF的分布与含量均比NGF更广泛和丰富［3］，而在海马等部位BDNF mRNA的含量高于NGF mRNA 20～30倍［3］。BDNF可通过靶源性、自分泌、旁分泌方式与神经细胞上高亲和力的酪氨酸蛋白激酶B（TrkB）受体或低亲和力受体p75结合，激发各种信号传导通路而发挥其特殊的生物作用［3］。BDNF作用广泛，对感觉神经元、运动神经元、胆碱能神经元、多巴胺能神经元、GABA能神经元、小脑颗粒神经元等均有作用［4］。已有的研究表明，BDNF在维持神经元存活和促进神经突起生长方面具有重要作用。 
　　1.2BDNF与突触传递的长时程增强（LTP）LTP作为突触可塑性的重要内容，与学习记忆密切相关。相关研究发现，BDNF可选择性增强高频刺激（HPS），有助于BDNF直接对LTP发挥效应，暗示BDNF可调节神经递质的释放［5］。而经过皮质酮（CORT）治疗的大鼠海马CA1区细胞内BDNF显著下降，并且在一定范围内可以影响LTP［6］。大鼠前脑缺血后LTP不能被诱导，空间辨别能力显著下降，缺血后15 d工作记忆和参考记忆的比率明显下降，但用外源性BDNF治疗后比率显著回升，提示BDNF可能对突触传递有保护作用［7］。 
　　目前研究认为，LTP是由主要分布在大脑皮层与海马的N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受体依赖的突触传递效能的持续性增强所引起的。BDNF通过增强海马突触后NMDA受体磷酸化，迅速增加神经元间的突触传递［8］。因此，BDNF能增加NMDA受体活性而诱导LTP，而LTP反过来也可以提高BDNF mRNA的水平［9］。慢性注入NMDA受体的选择性拮抗剂氨基磷戊酸（AP5）可阻抑大鼠内嗅皮质-齿状回通路LTP的产生［10］。以上结果均表明，BDNF在产生及维持LTP的过程中起着重要作用。 
　　此外，BDNF在海马LTP中的重要作用与其受体TrkB有密切关系（图1）［11］。 
　　 
　　1.3BDNF与学习记忆先前的实验中用Morris水迷宫检测BDNF基因缺失的突变小鼠的空间学习能力，结果发现青年BDNF突变小鼠空间学习能力明显下降，需要用对照组2倍的时间去完成任务；老年对照组学习错误机会明显高于青年对照组；而老年BDNF突变小鼠丧失学习能力［12］。随后的实验结果同样表明，存在BDNF缺陷的小鼠海马LTP以及海马依赖性的学习与记忆能力都会受到一定损害［13］。 
　　此外，在给予BDNF抗体的大鼠中会出现空间学习记忆的缺陷。这也许是因为脑室内注射BDNF抗体阻断了内源性BDNF的功能作用，以致大鼠空间学习记忆能力下降。而使用NMDA受体拮抗剂MK-801可阻断学习依赖性的BDNF上调，并延缓水迷宫任务的学习过程。最近有人选择性敲除了成年动物前脑的BDNF，结果同样支持BDNF在海马依赖的LTP与学习过程中的关键作用［14］。 
　　新近的人体实验表明，在用一种单一的氨基酸替代物取代BDNF基因编码区的某特定氨基酸（前区val/met密码子66）后，会损害BDNF的合成与释放，并导致记忆功能低下及海马的异常激活［15］。以上结果表明，BDNF在对海马学习记忆过程的调控中有着重要的作用，是海马结构与功能整合中的一个关键分子。 
　　 
　　2不同运动对学习记忆的影响 
　　 
　　2.1急性运动与大强度运动的影响邵邻相的研究中，让小鼠无负重游泳2 h后，在第24 h和第96 h测定学习能力，以及学习24 h后检测记忆能力。发现小鼠学习记忆能力与对照组比较无明显差异，表明急性游泳对智力无明显影响［16］。孙国欣的研究表明，大强度游泳负荷训练可导致小鼠学习能力和记忆阶段的空间认知能力的减弱，但对记忆能力的影响无显著性差异［17］。以上结果表明，急性或大强度疲劳运动对学习记忆可能无影响或有不利的影响。 
　　2.2长期适宜的运动训练孙国欣的研究中发现，适宜游泳训练可提高小鼠记忆能力和记忆阶段的空间认知能力，但对学习能力和学习阶段的空间认知能力无明显影响［17］。同样，徐波的研究发现8周游泳训练可以提高大鼠Y-迷宫测试成绩［18］。在田苏平的研究中发现，游泳刺激增强正常小鼠的记忆能力，并在一定程度上可对抗D-半乳糖引起的记忆力衰退［19］。而有国外的报道也指出9周的游泳训练可明显提高大鼠短时记忆与长时记忆能力［20］。这些结果表明，适进行宜游泳运动可以提高动物的学习记忆能力。 
　　此外，大多研究认为跑轮运动作为一种非受迫性运动，可提高动物的学习记忆能力［21-22］。马强的研究发现，8周的跑轮运动可明显减缓随后21 d的慢性束缚应激对大鼠海马齿状回LTP的抑制，认为长期体力运动对海马有保护作用［21］。另外，进行跑轮训练可以选择性提高大鼠齿状回LTP以及空间学习能力［22］。因此，可以认为不同形式的运动（如游泳、跑轮）在一定的范围内都能够对学习记忆产生影响。 
　　 
　　3运动影响学习记忆的可能机制 
　　 
　　3.1运动对脑形态结构的影响长期适宜运动能促进脑内毛细血管生长，增加毛细血管内血液的储备量，以及改变组织对氧的利用率［23］。有研究发现，跑轮训练可以促进成年小鼠海马齿状回神经细胞生长［24］。白石等人的研究中让大鼠进行8周游泳负荷训练后，其大脑皮质运动区V层大锥体细胞的胞核、核仁与顶树突棘、侧树突棘以及基树突棘的密度大小均显著性高于安静对照组［25］，这与国内先前研究的结果一致［26］，表明长期的运动对脑的形态结构会产生较适宜的影响，提高大脑对信息的处理能力。但也有研究认为，只有运动技巧性学习的获得才能够促进神经突触的生长，而重复的体力活动只能影响脑血管的生长［27］。以上研究结果的差异可能与实验中动物采用的不同训练模型有关。 

　　3.2运动对脑内神经递质的影响李宁川用8周中等负荷的游泳训练可增加大鼠脑组织中cNOS活性，这对改善大脑功能有一定的作用［28］。徐波等人研究发现，8周的有氧游泳运动在提高大鼠学习记忆能力的同时使大鼠脑内纹状体、海马、前额叶皮层和伏隔核中多巴胺（DA）的代谢增强［18］。 
　　而国外多数的研究发现，跑轮训练可以提高大鼠海马BDNF基因与蛋白的表达［22,29］。研究发现，进行6 h与12 h跑轮运动均可以使大鼠海马BDNF mRNA即刻表达显著增加，但运动时间的长短对BDNF的不同外显子会产生不同的影响［29］。随后有研究发现，跑轮运动在提高大鼠Morris水迷宫学习率的同时，使大鼠海马内BDNF mRNA与蛋白质的表达随着跑动距离与训练时间的增加而增加［22］。 
　　 
　　4BDNF在运动影响学习记忆中的可能作用 
　　 
　　4.1运动通过BDNF影响脑的形态结构脑部神经血管的发育、发达程度与学习记忆能力有一定的关系。突触释放BDNF可以促进神经细胞突起的形成［30］。适宜运动促进大鼠海马空间学习任务的获得可能与海马神经营养因子的表达及受体密度的增加有关。因此，跑轮运动能促进神经可塑性的机制可能是由于跑轮运动增加了BDNF及其受体在脑内的表达与利用，进而诱导脑内神经的生长，提高脑对刺激的耐受性与学习记忆能力［11, 31］。研究表明，跑轮运动促进大鼠神经生长与LTP阈值降低的同时，也能使海马齿状回BDNF mRNA的表达增加［32］。 
　　 
　　4.2BDNF与其他影响因素的相互作用Cotman认为运动中BDNF在大脑皮层、海马学习记忆中起关键作用是由于跑轮运动可通过雌激素，CORT与IGF-1等神经递质的相互作用增加海马内BDNF的表达（图2）［11］。跑轮运动可提高完整的雌鼠体内海马BDNF mRNA表达，但在缺少雌激素大鼠体内，运动可减缓雌激素引起的BDNF下调与雌激素被剥夺时间的长短有线性关系。因此，尤其是对于女性来说，雌激素、体育运动与海马BDNF之间的相互作用可能对维持大脑健康与可塑性有着重要影响。而跑轮运动可以增强抗抑郁药物的作用，并使大鼠海马内BDNF mRNA水平显著提高［32］。 
　　 
　　5总结与展望 
　　 
　　长期适宜的运动可以提高学习记忆能力，但是运动影响学习记忆的确切机制还未明确。近来国外许多研究均表明，丰富的环境条件可以促进动物的学习记忆能力［33］。而运动或许代表一种“富足”的环境条件［33］，通过影响动物的神经生长［34］、c-fos表达、去甲肾上腺素的释放（NE）、突触传递以及空间记忆能力等因素来影响学习记忆。 
　　运动能影响学习记忆能力，但究竟何种方式、强度及持续时间的运动可以对人或动物的学习记忆产生最适宜的影响？这应是今后应继续深入研究的关键问题。在新近研究中发现，进行间歇性的跑轮运动与每日进行跑轮运动一样可以提高大鼠海马BDNF蛋白水平的表达，并且运动后BDNF的蛋白水平可维持较长的一段时间［27］。因此，通过研究在一定范围内对运动的可变因素（如频率、周期与强度等）进行较为准确的定量，或许可以把运动锻炼作为那些在记忆或脑功能方面有缺陷的患者进行临床治疗及康复的一种积极而有效的方法。 
　　 
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